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5.- SISTEMAS DE UNIÓN 5.1.- Union por soldadura a tope con elementos calefactores. El método de soldadura, es el más comun y seguro para unir tubos PECC. El proceso es relativamente rápido, simple y barato, no requiere de materiales adicionales. Aunque la operación es simple, necesita personal especializado y cuidadoso que siga el siguiente procedimiento.

Instalación del equipo de soldadura. Si fuera necesario, instalar una carpa de protección contra viento y lluvia. Las tuberías o piezas se colocan en las mordazas y se cierran los extremos. Refrentar las partes a soldar (con ayuda de polines u otros soportes). Colocar cuchillos rectificadores. Rectificar las superficies a soldar. Sacar los cuchillos. Eliminación de virutas. Chequear el paralelismo de las superficies instalando las tuberías (separación

máxima 0.5mm). Chequear desalineamiento de las tuberías (máximo 0.1e=10% del espesor de

pared). Limpiar elemento calefactor, con papel crepé y alcohol metílico. Chequear temperatura de soldar, ésta debe ser 220 ºC ± 10 ºC. Colocar elemento calefactor. La superficie a soldar se apreta contra el elemento calefactor, de acuerdo a la

temperatura de unión, hasta que se produzca un cordón en todo el perímetro de acuerdo a la tabla de presiones y tiempo.

Reducir la presión de calentamiento lentamente hasta casi 0. Después de un calentamiento suficiente (véase valores de la tabla), separar las

superficies a soldar del elemento calefactor. Sacar el elemento calefactor y unir las superficies a soldar, según tabla de

presiones y tiempo. Aplicar la presión de unión lentamente y mantener el tiempo de unión de

acuerdo a la tabla. Deje enfriar en esta posición de acuerdo a la tabla. Remover las mordazas.

El proceso de soldadura esta normalizado según la norma DIN 16932

Tabla 5.1: Presiones y tiempos en el proceso de soldadura Espesor pared (mm) 2-3.9 4.3-6.8 7.1-11.4 12.7-18.2 20.1-25.5 28.3-32.3 Tiempo calentamiento a presión 0.2-0.5 Kg. /cm² en seg.

30-40

40-70

70-120

120-170

170-210

210-250

Tiempo de cambio de posición en seg.

3-5 4-8 6-10 7-15 10-20 10-25

Tiempo hasta aplicar toda la presión (1.5-2 Kg./cm²), aplicar en forma lenta

4-6

6-8

8-12

10-15

15-20

20-25

Tiempo total de enfriamiento en minutos

4-5 6-10 10-16 17-24 25-32 33-40

Alto rodón soldadura (cm) 0.5 0.5 1.0 1.0 1.5 1.5

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5.2.- Unión por soldadura de termofusión y electrofusión El desarrollo de las resinas para tubos de polietileno que permiten diseños más tolerantes a la fatiga de los materiales, especialmente con la introducción reciente de los materiales PE100, ha significado para los tubos PECC crecer en competitividad respecto a los materiales tradicionales empleados para fabricar tubos de gran diámetro. Este tipo de tubos se utiliza en redes de agua potable y en diversas aplicaciones industriales. La fusión a tope se ha establecido como método de unión desde principios de la década de los años 60 por cuanto disminuye los costos de instalación. El soldar tubos de gran diámetro significa un desafío especial por el peso y las fuerzas comprendidas en la operación. La soldadura de tubos PECC comprende no sólo valores cuantitativos, sino también la evaluación de la unión soldada. Se han establecido varias directrices para soldar y una variedad de diferentes métodos de prueba para evaluar la soldadura. El presente capítulo introduce y trata sobre las directrices establecidas relativas a la fusión a tope de tubos de polietileno de alta densidad y a los métodos de prueba utilizados para evaluar las soldaduras.

• Proceso de soldadura

Son varios los métodos que se emplean para soldar tubos de polietileno, tales como: soldadura de tope por fusión, soldadura por encaste, fusión por montura, electrofusión, soldadura por fricción, soldadura por extrusión. Los métodos más comúnmente usados son los de fusión a tope y electrofusión. En el caso de electrofusión, los fittings alcanzan hasta un diámetro nominal de 500mm. Por sobre esta medida, los tubos se sueldan a tope o se sueldan con adaptadores de brida al tubo. Actualmente existe la prueba de presion en terreno capaz de probar el comportamiento a largo plazo de las uniones soldadas. Sin embargo, para garantizar la calidad de la soldadura se debe primeramente asegurar que el proceso de soldadura se realice con los parámetros indicados. Normalmente la electrofusión se realiza en forma automática. En el caso de la fusión de tope, el equipo ha requerido tradicionalmente más control manual y un mayor grado de destreza y capacitación por parte del personal. Hoy en día se dispone de

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equipos para fusión de tope capaces de regular la temperatura, la presión y el tiempo del proceso de soldadura, considerando además las condiciones ambientales. Las operaciones manuales son todavía comunes en el caso de la soldadura de tubos de gran diámetro (más de 500mm).

Soldadura de tope por Termofusión

Soldadura por electrofusión

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• Calidad de la soldadura Para una buena calidad de fusión, independiente del proceso de soldadura para tuberías y accesorios de polietileno, han de considerarse los siguientes aspectos:

Melt Flow Rate (MFR), es un parámetro de gran importancia ya que permite soldar materiales de distinta procedencia, que están definidos en los siguientes grupos de Melt Flow Rate:

GRUPO MFR DIN 16776

RANGO MFR 190ºC/5kg

T 003 0.2 – 0.4 gr/10’ T 005 0.4 – 0.7 gr/10’ T 007 0.7 – 1.3 gr/10’

Las directrices de soldadura TEHMCO S.A. son válidas para soldaduras de tuberías y accesorios de polietileno, cuyo valor de MFR (190/5) se encuentra entre 0.2 y 1.3 gr/10’. Para tuberías y accesorios cuyo valor MFR se encuentra fuera del rango de validez, se debe demostrar la idoneidad de la soldadura por medio de pruebas.

Protección de las condiciones atmosféricas desfavorables (humedad, viento, radiación solar).

Campo de la soldadura libre de tensión de flexión y tracción. Piezas y elementos calefactores en buenas condiciones. Limpieza de las superficies de unión. Personal capacitado. Equipos de soldar idóneos.

5.2.1.- Soldadura por termofusión

En la soldadura por termofusión, las superficies de unión de las piezas a soldar se corrigen con un plato rectificador para igualar cualquier diferencia. Luego se calientan las piezas con una fuerza de compresión reducida y finalmente se unen bajo presión después de haber retirado el elemento calefactor.

Fig. 5.1: Representación esquematica del proceso de soldadura

Preparación de la soldadura

Mordaza

Plato Calefactor

Mordaza

Tuberia

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Este tipo de soldadura se realiza bajo los parámetros de la norma DVS 2207/1

• Parámetros de soldadura Los parámetros indicados en la norma DVS 2207/1 para el proceso de soldadura son:

Temperatura de fusión 200ºC a 220ºC. Presión 1.5 kg/cm² Tiempos de calentamiento y enfriamiento los cuales dependen del espesor de

pared de tubería.

Ajuste y calentamiento

Fusion y enfriamiento

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Tabla 5.2: Parámetros de soldadura, según norma DVS 2207. DVS 2207

Parte 1 Temperatura de fusión (ºC) Presión térmica (MPa) (pl)* Ancho del cordón de soldar después del Calentamiento K (mm) Presión de difusión del calor (P2)* Tiempo de acumulación del calor (seg.) (t2) Tiempo de remoción de la placa calefactora (seg.) (tc) Tiempo de aumento de la presión (seg.)(tu) Presión de fusión (MPa) (P3)* Tiempo de enfriamiento bajo presión (min) (t3) Presión de enfriamiento (MPa)(P3)* Tiempo de enfriamiento sin presión (min) Ancho del cordón de soldar (mm) Espesor de tubo (mm)

200 – 220 0.15 0.5 – 4 0 10 e** depende del espesor de la pared depende del espesor de la pared 0.15 0.15 depende del espesor de la pared 0.15 - - < 70

* Tengase en cuenta que siempre deberia sumarse la fuerza de arrastre a la presión. ** Espesor de pared.

• Metodología El sistema de unión por termofusión cuenta de las siguientes etapas.

Preparación del lugar de soldadura. Consiste en montar la máquina soldadora y verificar que cada uno de los

elementos que participan en el proceso están en buenas condiciones. Si se requiere, se debe colocar una carpa. Conectar el elemento calefactor.

Proceso de ajuste.

Disponer los tubos o piezas de tal forma que las superficies estén alineadas (según tabla 5.3).

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Tabla 5.3: Tolerancias de paralelismo de las caras a fusionar:

Diámetro exterior de la tubería (mm)

Separación de aire máxima (mm)

Hasta 560 0.5 630 0.6 710 0.7 800 0.8 900 0.8 1000 1.0 1.200 1.2

>1.200 1.5

Asegurar el movimiento longitudinal de las piezas a soldar mediante

caballetes o poleas ajustables. Limpiar la superficie exterior e interior de las tuberías a soldar. Cepillar los extremos de las tuberías a soldar. Eliminar las virutas de la zona de fusión. Comprobar el paralelismo de las caras de las superficies a soldar,

juntando las piezas. Verificar los parámetros de soldadura necesarios.

Ejecución de la soldadura.

Tapar los extremos de los tubos a soldar, para evitar un enfriamiento por corrientes de aire.

Comprobar la temperatura del elemento calefactor antes de cada soldadura.

Medir la presión de arrastre de los tubos a soldar. Limpiar el elemento calefactor. Aplicar la presión adecuada, manteniéndola hasta que las superficies de

unión queden completamente en contacto con el elemento calefactor. Reducir la presión y esperar el tiempo de calentamiento indicado en las

tablas de soldadura del equipo de termofusión. Quitar el elemento calefactor y unir las superficies a soldar, el tiempo de

acción debe ser el mínimo posible. Aumentar en forma gradual la presión hasta alcanzar el valor

especificado, manteniéndola hasta que se produzca el tiempo de enfriamiento requerido.

Soldar las mordazas que sujetan las tuberías. Control visual de la soldadura.

o Rodones simétricos (aproximadamente iguales). o Superficies de rodones lisas.

Las principales secuencias del proceso de soldadura son ilustradas gráficamente en el siguiente esquema (fig.5.2), donde la presión y la temperatura están dadas en función del tiempo.

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Fig. 5.2: Secuencia del proceso de soldadura.

El procedimiento comienza cuando el plato calefactor ha alcanzado la temperatura de soldar que normalmente es entre 200 y 220 ºC (tiempo 0), para polietileno de alta densidad. Con el plato calefactor colocado entre los extremos de los tubos, primero se aplica una presión P1 por un tiempo t1 de tal manera que haga contacto toda la superficie entre el plato calefactor y los extremos de los tubos; luego una muy baja presión P2 (casi 0) es mantenida en forma constante durante el tiempo t2, este tiempo es función del espesor de la pared del tubo. Una falla común es que t2 es elegida demasiado corta, de tal manera que la profundidad del material fundido es insuficiente. Cuando se aplica la presión de soldadura P3, es muy importante que no sea tan alta, como para forzar demasiada salida de material fundido, produciéndose la soldadura con material frío. El tiempo tc, donde el plato calefactor es retirado y las tuberías se presionan entre si, debe ser lo más corto posible, este tiempo es muy crítico ya que el material fundido es expuesto al aire, pudiendo provocar oxidación en el material y enfriamiento en los extremos de los tubos. Luego comienza el tiempo tu donde se alcanza la presión de soldadura elegida. La presión debe ejercerse en forma suave y no abrupta, la presión de soldadura P3 es igual a la presión P1 y debe mantenerse constante durante el periodo de enfriamiento t3. Está comprobado que la duración del tiempo de enfriamiento tiene una influencia significativa en la calidad de fusión de la tubería.

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Un error común es elegir un tiempo de enfriamiento muy corto, para mejorar los rendimientos diarios de soldadura. Una buena calidad de soldadura, significa que la resistencia de la unión debiera ser similar y mejor que la resistencia del tubo mismo. 5.2.2.- Soldadura por electrofusión Es el proceso que permite la unión de tuberías con diversos accesorios (electrofittings). En la soldadura por electrofusión se calientan y sueldan dos superficies mediante el calor generado por una resistencia eléctrica. Esta resistencia se encuentra en el interior del electrofitting. Los beneficios que entrega la utilización de los electrofittings son:

Proporcionan una zona de fusión más amplia. Poseen un espesor de pared grande. Pueden ser usado con todas las tuberías de polietileno para presión. La instalación es posible en los espacios más reducidos. No existen limitaciones impuestas por las condiciones climáticas. La utilización de un bajo voltaje da seguridad contra accidentes. Existe una transferencia de calor directa a la tubería desde el enrollado del

electrofitting. El pequeño espacio entre la tubería y el fitting proporciona una óptima presión

de unión en la zona de fusión. Poseen un indicador visual de fusión.

El equipo para realizar la fusión posee un sistema electrónico que controla automáticamente todo el proceso. Por esto todos los electrofittings están rotulados con un código de barras o poseen una tarjeta magnética, la cual contiene toda la información necesaria para una correcta fusión. El suministro de energía se realiza por medio de un transformador de corriente. La dilatación de la masa fundida y las tensiones de contracción producen la presión de soldadura necesaria que garantiza una soldadura optima.

• Parámetros de soldadura

Los parámetros de soldadura son entregados por el fabricante del accesorio a través de la lectura del código de barras o de una tarjeta magnética que posee cada electrofitting.

• Metodología

El sistema electrofusión consiste en las siguientes etapas:

Preparación de la soldadura Conectar la máquina soldadora a una fuente de poder. Revisar que el electrofitting se encuentre en buenas condiciones.